随着化石能源的消耗和环境污染的加剧，寻找污染小、性能优的可降解聚合物材料成为当下的研究热点。聚乙烯醇（PVA）是一种无毒、可生物降解、生物相容的水溶性可降解高分子，可由非化石原料合成，但也存在亲水性过高、熔融加工性差等缺点，尤其是增塑改性后，力学性能下降严重。纤维素来源广泛、易于获取，纤维素纳米纤维（CNF）具有精细的高长径比结构和优异的机械强度，因此具备作为塑料改性纳米填料的应用潜力。但CNF与大部分高分子材料的界面作用力较弱，且CNF的分布通常难以调控，因此在高分子材料中难以完美发挥CNF的补强优势。
近日，华南理工刘伟峰和广东工大邱学青教授团队受自然植物成分和骨骼肌取向纤维结构的启发，将纤维素纳米纤维（CNF）和木质素磺酸盐（LS）引入聚乙烯醇（PVA）基体中，利用LS结构中大量的磺酸基团和羟基，改善PVA与CNF之间的界面作用，通过膨胀辅助预拉伸方法促进CNF在PVA基体中取向排列，强化CNF的补强效果，制备了一种具有取向结构的高强度PVA复合薄膜（图1）。
图1. 溶胀辅助预拉伸法机理示意图
溶胀辅助预拉伸处理后的PVA/CNF/LS复合膜（PC2LS5-70%）具有明显的各向异性结构，其沿预拉伸方向的拉伸强度提升至174.8 MPa，是原始复合膜（PC2LS5）的近1.9倍和纯PVA膜的3倍（图2）。此外，PC2LS5-70%的杨氏模量也比PC2LS5高107%，比纯PVA高235%。
图2. PVA/CNF/LS复合膜微观结构示意图与相关表征和性能展示
除力学性能外，CNF和LS还表现出了协同增塑作用，有效降低了PVA复合膜的熔融温度，扩大了其熔融加工温度窗口。此外，LS的加入使复合膜具有良好的紫外屏蔽性能，并提高了复合膜的耐水性。该工作为制备具有优异机械性能的环境友好型聚合物材料提供了灵感。
该研究成果“Ultra-strong nanocomposites reinforced by cellulose nanofiber and lignosulfonate via swelling-assisted pre-stretching orientation”近期发表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering。论文第一作者为华南理工大学化学与化工学院博士研究生闫梦真，通讯作者为生物质资源化工团队的刘伟峰教授，广东工大邱学青教授为论文共同作者。成果得到制浆造纸国家重点实验室（2023ZD04）、国家自然科学基金项目（22038004，22222805，22078116，U23A6005）、广东省重点研发计划项目（2020B1111380002）、广东省化学与精细化工实验室揭阳中心资助。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.3c06472
近年来，作者团队专注于木质素在高分子材料中的高值利用研究，在木质素改性橡胶、塑料、聚氨酯、表面活性剂等体系，利用木质素本身的天然结构和功能优势，实现了对不同高分子体系的增强增韧高性能化及功能化，为木质素这一大宗工业生物质资源在材料领域的高值利用探索新理论和新方法，相关成果获得了系列授权发明专利，欢迎交流合作，推动应用转化。
